KR20140105435A - 요소수 분무구조 - Google Patents

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Abstract

(과제)
본 발명은, 배기가스중에 포함되는 SO 3 의 비율이 높은 경우나 배기가스의 온도가 저하된 영역에서 요소수가 분무되는 경우에도 부생성물의 생성을 억제한다.
(해결수단)
엔진(1)의 배기포트(1a)에 접속된 배기연락관(2)으로부터 배출된 배기가스를 집합시키는 배기 매니폴드(3)와, 터보차져(4)의 터빈(4a) 상류측의 배기통로(5)와의 사이에 설치된 탈초반응기(6)를 구비한 배기가스 정화장치(7)에 있어서 상기 탈초반응기(6)의 SCR촉매(6a)에 대하여 암모니아를 공급 가능한 요소수 분무구조이다. 배기 매니폴드(3)내에, 터보차져(4)의 컴프레서(4b) 하류측의 급기통로(8)로부터 분기된 분기관(9)과 접속된 증발관(10)을 배치함과 아울러, 증발관(10)내를 통과하는 공기에 대하여 요소수를 분무하는 노즐(11)을 설치한다.
(효과)
배기통로의 부식이나 폐색을 방지하고, SCR촉매의 성능도 양호하게 유지할 수 있다.

Description

요소수 분무구조{AQUEOUS UREA-SPRAYING STRUCTURE}
본 발명은, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스중의 질소산화물(窒素酸化物)(이하 「NOx」라고 한다)을 선택 환원형 촉매(選擇 還元型 觸媒)(이하 「SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매」라고 한다)하에서 환원제(還元劑)와 반응시켜 정화하는 배기가스 정화장치(排氣gas 淨化裝置)에 있어서의 요소수(尿素水)의 분무구조(噴霧構造)에 관한 것이다.
엔진의 배기관의 하류(下流)에 SCR촉매를 끼운 탈초반응기(脫硝反應器)를 설치함과 아울러, 이 탈초반응기의 상류(上流)측의 배기통로에 환원제로서 암모니아 가스를 첨가하여, 탈초반응기의 안에서 배기가스중의 NOx를 정화하는 기술이 개시되어 있다(특허문헌1).
그러나 암모니아 가스나 암모니아수는 독성이 강하여 위험하고 악취 등의 문제도 있기 때문에, 선박 등에 대한 탑재에는 엄격한 제약이 있다. 그래서 종래에 SCR촉매를 사용한 배기가스 정화장치에서는, 화학적으로 안정된 요소(尿素)를 환원제 전구체(還元劑 前驅體)로서 사용하고, 요소수(尿素水)의 상태로 탱크에 수용해 두고, 노즐(nozzle)을 사용하여 탈초반응기의 상류측의 배기통로내로 분무하는 구성이 많이 채용되고 있다(예를 들면 특허문헌2).
상기의 구성의 경우에 노즐로부터 배기통로내로 분무된 요소수는, 배기통로내의 온도가 충분하게 높으면 SCR촉매에 도달할 때까지의 사이에 하기의 식(1)과 같이 가수분해(加水分解)되어 암모니아 가스(NH 3 )가 생성된다.
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 ····(1)
그리고 가수분해에 의하여 발생된 암모니아 가스는 SCR촉매에 공급되고, 이에 따라 SCR촉매상에서 암모니아와 배기가스중의 NOx 사이에 다음의 식(2) 및 (3)과 같은 탈초반응(脫硝反應)이 이루어져서, NOx는 질소와 물로 분해되어 무해화(無害化)된다.
4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O····(2)
2NH 3 + NO + NO 2 → 2N 2 + 3H 2 O····(3)
이와 같이 SCR촉매를 사용한 배기가스 정화장치에 있어서 안전상의 필요성으로부터 요소수를 사용하는 경우에는, 분무된 요소수가 배기통로내를 유동중에 상기 식(1)의 가수분해반응이 확실하게 이루어질 필요가 있다. 그 때문에 종래에 예를 들면 특허문헌2의 NOx 정화장치에서는, 요소수첨가 노즐과 NOx촉매 컨버터(NOx觸媒 converter) 사이에 암모니아의 생성을 촉진하기 위한 수단으로서 머플러(muffler)를 설치하도록 하고 있다.
또한 종래에 예를 들면 도2에 나타나 있는 바와 같은 배기 매니폴드(排氣 manifold)(101)를 구비한 4기통(4氣筒)의 선박용 디젤엔진(船舶用 diesel engine)(102)에 있어서도, 터보차져(turbocharger)(103)의 터빈(turbine)(103a) 상류측의 배기통로(排氣通路)(104)에 설치한 요소수 분무용의 노즐(105)과 SCR촉매(106) 사이에, 노즐(105)로부터 분무된 요소수의 가수분해를 촉진하기 위한 증발관(蒸發管)(107)을 설치하는 경우가 있다.
그러나 연료중에 유황분(硫黃分)이 많이 포함되는 예를 들면 C중유(C重油)를 사용한 디젤엔진의 경우에, 배기가스중에 포함되는 SO 3 의 비율이 높아진 결과, 요소수의 분무에 의하여 온도가 더 저하된 영역에서 배기가스중의 SO 3 과 요소수의 가수분해에 의하여 발생된 암모니아가 접촉되면, 예를 들면 황산암모늄(黃酸ammonium)((NH 4 ) 2 SO 4 )이나 산성유안(酸性硫安)(NH 4 HSO 4 ) 등의 염(鹽)이 부생성물(副生成物)로서 생성된다. 이들의 부생성물은 배기통로에 퇴적(堆積)되면 배기통로의 부식(腐食)이나 폐색(閉塞)의 원인이 되며, 또한 SCR촉매상에도 퇴적되면 SCR촉매의 촉매활성이 저하된다는 문제도 있다.
특히 특허문헌2의 머플러나 도2의 증발관(107)과 같은 구성을 사용하는 경우에, 엔진의 배기포트(排氣port)로부터 배출된 직후의 예를 들면 300∼450℃의 고온의 배기가스가 존재하는 배기 매니폴드보다 하류측에 있어서 배기가스의 온도가 저하된 영역에서 요소수가 분무되기 때문에, 요소수의 미스트(mist)가 벽면에 부착되어 벽면온도가 저하됨으로써 부생성물이 생성되기 쉽다. 예를 들면 C중유를 사용하지 않고 있는 엔진에서도 벽면에 요소수가 부착되어 벽면온도가 저하됨으로써, 요소수의 가수분해가 진행되지 않아 부생성물로서 시아누르산(cyanuric酸)이 생성되어 배기통로에 대한 퇴적 등의 원인이 된다.
또한 도2의 증발관(107)과 같은 구성을 사용하는 경우에는, 요소수의 가수분해에 의하여 발생된 암모니아가 배기가스중으로 균일하게 확산되지 않고 불균일한 상태 그대로 SCR촉매(106)에 공급되기 때문에, 상기 식(2) 및 (3)의 탈초반응의 진행이 불충분하게 되는 경우도 있다.
특허문헌1 : 일본국 공개실용신안공보 실개평2-115912호 공보 특허문헌2 : 일본국 공개특허 특개2003-293739호 공보
종래의 배기가스 정화장치는, 유황분이 많이 포함되는 연료를 사용하고 있기 때문에 배기가스중에 포함되는 SO 3 의 비율이 높은 분위기에서 요소수를 분무함으로써 배기가스의 온도가 저하되어, 황산암모늄, 산성유안 등의 부생성물이 생성되기 쉬워진다. 또한 종래의 배기가스 정화장치는, 분무된 요소수가 벽면에 부착됨으로써 시아누르산 등의 부생성물이 생성되기 쉬워진다. 본 발명이 해결하려는 과제는, 이상의 부생성물에 의하여 배기통로의 부식이나 폐색, SCR촉매의 성능저하 등의 문제가 발생하고 있었던 점이다.
본 발명의 요소수 분무구조는,
엔진의 배기포트에 접속된 배기연락관으로부터 배출된 배기가스를 집합시키는 배기 매니폴드와, 터보차져의 터빈 상류측의 배기통로와의 사이에 설치된 탈초반응기를 구비한 배기가스 정화장치에 있어서 상기 탈초반응기의 SCR촉매에 대하여 암모니아를 공급 가능한 요소수 분무구조로서,
상기 배기 매니폴드내에, 터보차져의 컴프레서 하류측의 급기통로로부터 분기된 분기관과 접속된 증발관을 배치함과 아울러,
상기 증발관에, 상기 분기관을 통하여 상기 증발관내로 유입되는 공기에 대하여 요소수를 분무하는 노즐을 설치한 것을 가장 주요한 특징점으로 하고 있다.
본 발명의 요소수 분무구조는, 터보차져의 컴프레서(compressor) 하류측의 급기통로로부터 분기된 분기관과 접속된 증발관을 배기 매니폴드내에 배치하고, 이 증발관내에서 요소수의 분무와 암모니아에 대한 가수분해를 완료하는 것이다. 증발관의 내부에는 컴프레서에 의하여 압축된 고온의 공기가 통과되지만, 이 공기는 엔진의 급기포트로 유입되기 전의 것으로 SO 3 을 포함하지 않기 때문에, 유황분이 많이 포함되는 연료를 사용하는 경우에도 황산암모늄이나 산성유안 등의 부생성물의 생성을 억제할 수 있다.
부가하여 본 발명의 요소수 분무구조에서는, 배기연락관으로부터 배출된 직후의 고온의 배기가스에 의하여 배기 매니폴드내에 설치된 증발관의 벽면이 충분하게 가열되어, 요소수를 분무하는 영역에 있어서도 온도가 부족하지 않기 때문에, 시아누르산 등의 부생성물의 생성도 방지할 수 있다. 또한 가령 엔진이 저부하(低負荷)의 상태일 때에 부생성물이 생성되어 증발관의 벽면에 부착되었다고 하더라도, 엔진이 고부하(高負荷)의 상태가 되면 증발관의 벽면은 다시 고온이 되기 때문에, 일시적으로 부착된 부생성물을 분해할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 황산암모늄, 산성유안, 시아누르산 등의 부생성물의 생성을 억제하여 배기통로의 부식이나 폐색을 방지할 수 있으며, SCR촉매의 성능도 양호하게 유지시킬 수 있다.
[도1] 본 발명의 요소수 분무구조를 구비하는 배기가스 정화장치의 구성의 일례를 설명하는 도면이다.
[도2] 종래의 선박용 디젤엔진의 구성을 나타낸 개략도이다.
본 발명은, 배기가스 정화장치(排氣gas 淨化裝置)에 있어서 배기가스중에 포함되는 SO 3 의 비율이 높은 경우나 배기가스의 온도가 저하된 영역에서 요소수(尿素水)가 분무(噴霧)되는 경우에도 황산암모늄(黃酸ammonium), 산성유안(酸性硫安), 시아누르산(cyanuric酸) 등의 부생성물(副生成物)의 생성을 억제한다는 목적을,
엔진의 배기포트(排氣port)에 접속된 배기연락관(排氣連絡管)으로부터 배출된 배기가스를 집합시키는 배기 매니폴드(排氣 manifold)와, 터보차져(turbocharger)의 터빈(turbine) 상류측의 배기통로(排氣通路)와의 사이에 설치된 탈초반응기(脫硝反應器)를 구비한 배기가스 정화장치에 있어서 상기 탈초반응기의 SCR촉매에 대하여 암모니아(ammonia)를 공급 가능한 요소수 분무구조로서,
상기 배기 매니폴드내에, 터보차져의 컴프레서(compressor) 하류측의 급기통로(給氣通路)로부터 분기된 분기관(分岐管)과 접속된 증발관(蒸發管)을 배치함과 아울러,
상기 증발관에, 상기 분기관을 통하여 상기 증발관내로 유입되는 공기에 대하여 요소수를 분무하는 노즐(nozzle)을 설치한 요소수 분무구조를 채용함으로써 실현시켰다.
[실시예]
이하에서는 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 도1을 사용하여 상세하게 설명한다. 도1에 있어서, 1은 본 발명의 요소수 분무구조가 적용되는 4기통(4氣筒)의 선박용 디젤엔진(船舶用 diesel engine)으로서, 각 실린더 헤드(cylinder head)에 형성된 배기포트(1a)에 각각 접속된 배기연락관(2)으로부터 배출된 고온의 배기가스를 집합시켜서, 터보차져(4)의 터빈(4a) 상류측의 배기통로(5)로 인도하는 배기 매니폴드(3)를 구비하고 있다. 본 발명의 요소수 분무구조의 주요부는 이 배기 매니폴드(3)의 내부에 실장되어 있으며, 배기 매니폴드(3)에 연속하여 배치되고 터빈(4a)의 상류측의 배기통로(5)와의 사이에 설치된 탈초반응기(6)에 의하여 배기가스 정화장치(7)를 구성하고 있다. 또 4b는 터보차져(4)의 컴프레서를, 8은 컴프레서(4b)에 의하여 압축된 공기가 반송되는 급기통로를 나타내고 있다.
배기 매니폴드(3)의 내부에는, 컴프레서(4b) 하류측의 급기통로(8)의 분기부(分岐部)(8a)로부터 분기된 분기관(9)과 접속된 증발관(10)이 배치되어 있다. 증발관(10)은, 일단(一端)이 분기관(9)과 접속되고 타단(他端)은 분출구멍(噴出孔)(10a)을 통하여 배기 매니폴드(3)내로 개방된 상태로 되어 있다.
11은, 상기 분기관(9)을 통하여 상기 증발관(10)내로 유입되는 공기에 대하여 요소수를 분무하는 노즐을 나타내고 있다. 증발관(10)내를 통과하는 공기는 컴프레서(4b)에 의하여 압축되어 고온의 상태로 되어 있지만, 이 공기는 엔진(1)의 급기포트로 유입되기 전의 것으로 SO 3 을 포함하지 않는다. 본 실시예의 요소수 분무구조는, 이 SO 3 이 존재하지 않는 고온공기를 증발관(10)으로 유입하고, 증발관(10)내의 공기에 요소수를 분무함으로써 요소수의 가수분해(加水分解)를 촉진하기 때문에, 유황분을 많이 포함하는 연료를 사용한 경우에도 암모니아와 SO 3 이 반응하는 것에 기인하는 부생성물의 생성을 억제시킬 수 있다.
여기에서 노즐(11)을 설치하는 위치는, 증발관(10)이 배기 매니폴드(3)의 외부로 돌출된 영역(A의 영역)에 설치하는 것보다, 증발관(10)이 배기 매니폴드(3)내에 존재하는 영역(A이외의 영역)에 설치하는 것이 바람직하다. 배기연락관(2)의 배기구로부터 배출된 직후의 고온의 배기가스가 직접 닿음으로써 증발관(10)의 벽면을 항상 고온으로 유지할 수 있으므로, 저온에 의한 부생성물의 생성을 억제할 수 있기 때문이다.
더 구체적으로는 증발관(10)은, 증발관(10)의 길이방향이 엔진(1)의 각 실린더의 배기포트(1a)에 접속된 배기연락관(2)의 배기구가 나란히 형성된 방향과 평행하게 되도록 배치한 후에, 노즐(11)로부터 분무된 요소수가 흐르는 B의 영역이 배기연락관(2)의 배기구와 각각 대향(對向)하도록 노즐(11)의 위치를 결정하면 좋다.
탈초반응기(6)에는, 엔진(1)으로부터 배출되는 배기가스중에 포함되고 산성비(酸性雨)나 광화학 스모그(光化學 smog) 등의 환경오염의 원인이 되는 NOx를 선택적으로 환원제거하는 SCR촉매(6a)가 끼워져 있다. SCR촉매(6a)는, 예를 들면 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 바나디아(vanadia)/티타니아(titania) 등의 금속산화물계 촉매(金屬酸化物系 觸媒)나 제올라이트계 촉매(zeolite系 觸媒) 등 원하는 촉매를 사용할 수 있으며, 이들의 촉매를 조합시켜도 좋다. 또한 SCR촉매(6a)는, 예를 들면 벌집 구조를 구비하는 촉매담체(觸媒擔體)에 담지(擔持)시키더라도 좋고, 통체(筒體)에 장입(裝入)하여 케이싱(casing)시키더라도 좋다. 본 발명의 요소수 분무구조는, 이 SCR촉매(6a)에 대하여 완전하게 가수분해된 상태의 암모니아를 공급하는 것이다.
본 실시예에서는 증발관(10)의 내부에 있어서 노즐(11)보다 하류측에, 요소수의 가수분해를 촉진하기 위한 가수분해촉매(加水分解觸媒)(12)를 설치하여, 가수분해의 효율을 더 높이도록 하고 있다. 가수분해촉매(12)는, 암모니아의 생성을 촉진하는 작용을 구비하는 촉매이면 좋고 예를 들면 산화티탄계(酸化titanium系)의 촉매나 알칼리 금속계(alkali 金屬系)의 촉매 등 원하는 촉매를 사용할 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 증발관(10)의 가수분해촉매(12)보다 하류측에, 요소수의 가수분해에 의하여 생성된 암모니아를 SCR촉매(6a)를 향하여 분출하는 분출구멍(10a)을 형성하고 있다. 그 때문에 증발관(10)내에서 가수분해에 의하여 발생된 암모니아 가스는, 작은 지름의 분출구멍(10a)을 통하여 배기 매니폴드(3)내의 배기가스중에 고압으로 분출되어, 배기가스중에 충분하게 확산된 상태에서 SCR촉매(6a)에 공급되기 때문에, 탈초반응의 진행이 불충분하게 되지 않는다.
또 본 실시예에서는, 배기 매니폴드(3)의 내부에 노즐(11) 및 가수분해촉매(12)를 구비한 증발관(10)이 설치되어 있기 때문에, 터빈(4a)의 상류측의 배기통로(5)에 증발관이 설치되어 있던 종래의 장치와 비교하면 공간 절약화가 도모된다. 또한 본 실시예에서는, 배기 매니폴드와 배기관이 병설(竝設)되어 있던 종래의 장치와 비교하면, 터보차져(4)에 이르기까지의 배기통로를 짧게 할 수 있기 때문에, 배기통로에 있어서의 공기압(空氣壓)의 손실을 감소시킬 수 있는 점에서도 유리하다.
13은, 급기통로(8)에 설치된 에어쿨러(air cooler)를 나타내고 있다. 컴프레서(4b)에 의하여 압축된 공기는 온도가 상승하여 팽창하려고 하지만, 팽창하면 공기의 밀도가 낮아져서 공기의 양이 감소하여 버리기 때문에, 에어쿨러(13)로 냉각하여 온도를 내리고 나서 엔진(1)에 공기를 공급하는 것이다.
본 발명의 요소수 분무구조에서는, 급기통로(8)에 에어쿨러(13)를 설치하는 경우에 급기통로(8)로부터 분기관(9)이 분기되는 위치(분기부(8a)의 위치)는, 에어쿨러(13)보다 상류측으로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 고온의 공기를 증발관(10)으로 반송하는 것이 요소수의 가수분해를 촉진하는 데에 유리하기 때문이다.
14는, 에어쿨러(13)의 하류측에 설치된 리시버 탱크(receiver tank)를 나타내고 있다. 엔진(1)이 공기의 사용을 시작했을 때에 그 공기를 리시버 탱크(14)로부터 신속하게 공급하고, 그 후에 리시버 탱크의 압력이 저하되면 그 저하분을 컴프레서(4b)로부터의 공급에 의하여 보충하도록 하여, 순간적으로 능력을 초과하는 대량의 공기가 필요하게 된 경우에도 급기가 부족하지 않도록 하고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 요소수 분무구조는, 터보차져의 컴프레서 하류측의 급기통로로부터 분기된 분기관과 접속된 증발관을 배기 매니폴드내에 배치하고, 이 증발관내에 요소수를 분무하여 암모니아에 대한 가수분해를 완료하기 때문에, 유황분이 많이 포함되는 연료를 사용하는 경우에도 황산암모늄이나 산성유안 등의 부생성물의 생성을 억제할 수 있다. 또한 배기연락관으로부터 배출된 직후의 고온의 배기가스에 의하여 배기 매니폴드내에 설치된 증발관의 벽면이 충분하게 가열되기 때문에, 요소수를 분무하는 영역에 있어서도 온도가 부족하지 않아 시아누르산 등의 부생성물의 생성도 방지할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 각 청구항에 기재된 기술적 사상의 범위내에 있어서 적절하게 실시형태를 변경하더라도 좋다는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면 상기의 실시예에서는 급기통로(8)로부터 분기관(9)을 통하여 일정량의 공기를 증발관(10)으로 유입하는 구성을 나타냈지만, 선박이 주행하는 해역(海域)에 따라서는 SCR촉매(6a)에 의한 탈초처리(脫硝處理)가 불필요한 경우도 있기 때문에, 분기부(8a)에 절환밸브(切換valve)를 설치함으로써 필요에 따라 분기관(9)의 입구를 밀폐하고, 탈초처리가 불필요한 경우에는 모든 공기를 에어쿨러(13)쪽으로 보내도록 구성하더라도 좋다.
본 발명의 요소수 분무구조는, 선박용 디젤엔진뿐만 아니라 자동차용 디젤엔진에도 적용 가능하다.
1 ; 엔진
1a ; 배기포트
2 ; 배기연락관
3 ; 배기 매니폴드
4 ; 터보차져
4a ; 터빈
4b ; 컴프레서
5 ; 배기통로
6 ; 탈초반응기
6a ; SCR촉매
7 ; 배기가스 정화장치
8 ; 급기통로
9 ; 분기관
10 ; 증발관
10a ; 분출구멍
11 ; 노즐
12 ; 가수분해촉매
13 ; 에어쿨러

Claims (5)

  1. 엔진의 배기포트에 접속된 배기연락관(排氣連絡管)으로부터 배출된 배기가스를 집합시키는 배기 매니폴드(排氣 manifold)와, 터보차져(turbocharger)의 터빈(turbine) 상류측의 배기통로와의 사이에 설치된 탈초반응기(脫硝反應器)를 구비한 배기가스 정화장치(排氣gas 淨化裝置)에 있어서 상기 탈초반응기의 SCR촉매에 대하여 암모니아(ammonia)를 공급 가능한 요소수 분무구조(尿素水 噴霧構造)로서,
    상기 배기 매니폴드내에, 터보차져의 컴프레서(compressor) 하류측의 급기통로(給氣通路)로부터 분기된 분기관(分岐管)과 접속된 증발관(蒸發管)을 배치함과 아울러,
    상기 증발관에, 상기 분기관을 통하여 상기 증발관내로 유입되는 고온공기에 대하여 요소수를 분무하는 노즐(nozzle)을 설치하는 것을 특징으로 하는 요소수 분무구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은, 상기 증발관이 상기 배기 매니폴드내에 존재하는 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 요소수 분무구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증발관의 내부에 있어서 상기 노즐보다 하류측에, 요소수의 가수분해(加水分解)를 촉진하기 위한 가수분해촉매(加水分解觸媒)를 설치하는 것을 특징으로 하는 요소수 분무구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 증발관의 상기 가수분해촉매보다 하류측에, 요소수의 가수분해에 의하여 생성된 암모니아를 상기 SCR촉매를 향하여 분출하는 분출구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 요소수 분무구조.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 급기통로에 에어쿨러(air cooler)를 설치함과 아울러, 상기 급기통로로부터 상기 분기관이 분기되는 위치는, 상기 에어쿨러보다 상류측으로 하는 것을 특징으로 하는 요소수 분무구조.
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